AR教育资源支持下的初中物理在线实验教学研究

聂鑫 李甦

摘要：突发公共卫生事件状况下，为确保教学活动正常进行，学校可利用互联网平台开展在线教学。物理是一门以实验为基础的学科，在线教学过程中，指导学生构建物理实验情境，保证物理实验课的教学质量，具有重要意义。依据义务教育物理课程标准，结合现有的AR教育资源和交互平台，构建基于AR应用的在线实验教学模式，促进初中物理在线实验教学的有效进行。

关键词：初中物理  AR教育  在线实验教学

引用格式：聂鑫，李甦.AR教育资源支持下的初中物理在线实验教学研究[J].教学与管理，2022（06）：94-96.

在线实验教学是指在网络与硬件设备的支持下，师生利用第三方平台，以直播讲解、虚拟实验操作等多样化的形式开展的实践性教学，是通过在线实验、观察、测定和分析，使學生获得知识、发展能力的一种线上教学组织形式。当前，新冠疫情特殊时期尚未结束，对于国内少数的中高风险地区，中小学必须根据实际情况开展在线教学。实验是初中物理课程中的重要组成部分，在线教育状态下，若以单纯的语言讲授或多媒体展示代替实验操作，其教学效果必然会受到影响。因此，开展在线实验教学势在必行。借助当前已有的AR教育资源，构建在线实验教学模式，不仅丰富了AR技术应用于初中物理在线教学的理论研究，而且在当前形势下具有其实际应用价值。

一、初中物理在线实验教学的设计原则

任何物理实验都具有科学性、对照性、单一变量、平行重复、可操作性、严整性等原则。因此，开展在线实验教学时，教师同样需遵循这些原则，以促进学生学科核心素养的发展[1]。传统的物理实验课中，为了得到可靠的结论，教师指导学生进行实物实验的次数一般为3次;在线实验的操作全过程均在虚拟平台上实现，其中各类元件、器材的性质（参数）可以自由设定，只需手动输入不同的数据，修改较为方便，因此可以视实际情况适当增加实验次数。除了上述原则外，因其授课形式的不同，在线实验教学过程中还需遵循以下原则。

1.整合性原则

所谓整合性，既是教师的主导作用和学生主体作用的整合，也是所选用的直播平台、AR资源平台以及互动交流平台之间的整合。以演示实验为主的实验课容易让教师走向“满堂灌”的教学模式，而在线实验过程无教师指导、参与的放纵型教学模式会使学生感到迷茫，不知道如何解决模拟实验中存在的问题，因而在线实验教学中，教师主导与学生主体的整合必不可少。本文中选用的三种类型平台都有其自身的重要作用，通过教师讲解演示、学生动手操作、师生交流反馈等环节形成了完整的在线实验教学流程。现代化教学资源的使用增加了在线实验课的趣味性和体验性，但这并不意味着要将所有可选的资源全部放在一起使用。整合的内涵是将零散的事物彼此衔接以实现协同工作，形成有价值、有效率的整体;过度叠加不仅会增加学生在实验过程中的负担，还会浪费时间和资源。

2.交互性原则

在线实验教学中的交互性是人人交互、人机交互和APP之间相交互的结合。人人交互包括师生、生生之间的多重交互，教学过程建立在师生信息交流和情感交流的基础上，以提高学生的能力为目标;人机交互是指通过在线直播平台开展实验课的过程中师生的实时参与，既包括教师控制多媒体演示实验的运行，也包括教师运用电脑、手机等设备传输电子任务单，学生完成实验报告、完成模拟物理实验以及向教师传输实验结果的过程;APP之间的交互主要指在开发与完善过程中其本身具有的相互调用的功能，在线实验课程中整合了多种形式的APP辅助教学，交互性显而易见。例如，在登录NOBOOK虚拟实验室的PC端时，可以选择“使用第三方登录”——“微信”或“QQ”;在传输虚拟实验的相关文件时，选择应用内需要分享的内容，调用在线教学所选用的社交媒体软件，即可实现师生之间文件的分享。

3.真实性原则

真实性是指在线实验过程中，选用的演示实验真实可靠，模拟实验中的器材等应与实物的基本特征相一致，教学要与真实生活相关联。本文中的在线实验基于AR技术的物理实验教育资源开展，其中运用了三维建模、智能交互等多种技术手段，通过3D技术在真实物体上叠加虚拟对象、模拟仿真操作实现虚拟现实之间的无缝交互[2]。因而，软件中各种虚拟器材从模式、外观到性质均完美复现了实物细节（如图1），增加了在线实验操作过程的真实感，对于学生正确认识各种实验器件的特点、使用方式及注意事项等方面具有一定的促进作用。

事实上，在AR教育资源的支持下，无论线上还是线下，物理实验的可操作范围变得更加广泛。例如，电学板块关于短路及超负荷的内容，由于实物操作会导致元器件损坏，教师通常只为学生讲解理论知识，即使播放多媒体演示实验，其中也都是以动画的形式描述实验过程。但在虚拟操作平台中，可以在无实物损坏和无现实危害的前提下观察到电路连接错误或元件规格选用不当造成的后果，强化相关操作的规范，体现了真实性。

二、初中物理在线实验教学模式构建

《义务教育物理课程标准（2011年版）》中提出了关于初中物理学科教学过程与方法目标的要求：“通过参与科学探究活动，学习拟订简单的科学探究计划和实验方案，有控制实验条件的意识，能通过实验收集数据，会利用多种渠道收集信息，有初步的信息收集能力。”[3]当前，在线物理实验课大多仅以多媒体演示实验的形式呈现，教学过程更侧重理论分析，学生仅通过观察，难以提升科学探究能力和动手实践能力，这与课程标准的要求是相悖的，因而本文中提及的在线物理实验还包括以学生为主体的设计实验[4]，让学生能够亲自动手进行实验操作。初中物理教材中包括声、光、热、电、力五大板块，主要实验见表1。

在线实验教学中，课前准备至关重要，它关系到教学能否顺利进行;正式开展在线实验课的过程中，通过线上的互动，使学生在顺利完成实验教学的同时，教师及时进行评价、反馈与总结（如图2）。

课前准备包括资源的选用和使用指导，教师依据学生的实际情况开展调查研究，同时应构建适用于这一教学模式的评价体系。在线实验课同样包括课程的导入、提出问题、实验探究、数据的记录与分析、得出结论、提交实验结果、评价反馈交流七个环节，在已有设备和应用的支持下，将多种教育资源进行有机结合，使学生能够自主设计实验过程，选择虚拟实验器材，完成在线物理规律的探索过程。为了保证操作的规范性，且不与实物操作相脱离，教师可以自行录制微课或选用网上的优质慕课进行在线播放，以辅助学生开展模拟实验。前者用于弥补由于物质条件受限导致的学生无法进行实物实验操作，后者用于弥补由于空间限制导致的教师不能进行实物演示实验。教师通过在线直播平台，为学生讲解相关的实验原理、虚拟仿真平台的使用方法和实验中的注意事项，引导学生主动探究，将课本知识、科学方法、操作能力、思维运用相结合，在顺利完成模拟实验的基础上，以科学的逻辑思维方式分析实验数据，得到正确的结论，培养学生的实验探究能力、发现问题和解决问题的能力以及勇于创新的意识，促进学生所学知识的有效迁移。学生自主设计实验，选用实验器材，在虚拟操作平台上完成实验过程，将得到的实验现象在软件自带的保存功能或设备的录屏功能进行记录，与电子实验报告一同提交到教师指定的平台。最后，教师应及时评价，列出在线实验中存在的问题，组织学生集体讨论，做好反馈和总结。

三、初中物理在线实验教学的注意事项

1.在线实验的平台选择

当前在线教学所需要的工具包括以互联网为基础的计算机、智能手机、平板等设备，师生实现教与学常用的直播平台有腾讯空中课堂、腾讯会议、超星学习通等，同时还包括微信、QQ、钉钉等社交媒体软件。此外，本研究选用的基于AR技术的物理教学辅助软件——“物理实验室”和“NOBOOK虚拟实验室”，二者均为无需器材即能进行高精度中小学物理实验的开放型应用，其中专业引擎能够精准计算模拟结果，且操作简便。不同的是，“物理实验室”这款软件仅可在移动端使用，支持iOS和Android两大系统，其中包括“电学实验”“电与磁实验”和“天体物理实验”三大主要模块，若想通过该软件完成诸如凸透镜成像、杠杆原理等经典实验，则需考虑对软件内容的进一步开发。“NOBOOK虚拟实验室”同时支持PC端和移動端使用，其中包括声学、光学、力学、电学等八大模块，内容更丰富，设备适配性更高，但其中某些功能需要开通VIP才能解锁，为使广大师生能够应用到所需资源，则需加强校企合作。

2.在线实验的评价反馈

在线实验教学过程中，受空间条件限制，教师无法当场对学生的实验情况作出评价，因而需要指导学生提交录制的虚拟实验操作过程，并从知识认知、操作过程、学习情感等方面合理构建评价体系。在线实验评价要考虑学生对于实验的认知程度、虚拟实验操作的熟练程度以及线上讨论的积极程度。反馈既要包括教师对学生实验操作过程的及时总结与指导，还应包括学生对在线物理实验课程的感受与建议。对于在校师生来说，可以通过在线交流讨论、编制与填写电子问卷并进行数据统计分析等形式开展反馈过程，这种方法比较简单，但通常会带有一定的个人主观性。对于AR教育资源的开发者而言，应致力于开发初中物理虚拟实验在线教学反馈系统，使教师能以学生在虚拟实验中点击APP内的操作过程作为触发事件，收集相应数据，这种方法具有较强的技术性，目前仍处于研究阶段。

疫情期间在线教育的迅速发展促进了传统教学的变革，近年来AR教育资源的兴起为在线实验教学的顺利开展提供了可能。开展在线实验课程前，教师需充分考虑到学生可能遇到的问题和困难，站在学生的角度看问题，引导学生在顺利完成模拟实验的同时将反思评价嵌入到实验探究中，使学生能够正确评价自己的实践过程，关注其理性精神的形成[6]。另一方面，教师应更加关注后进生的在线实验课程学习情况，整个在线教学过程中，师生之间正确的沟通方式、合理的沟通频率与及时的反馈总结必不可少。

参考文献

[1] 石尧，田成良，翟磊，等.物理过程教学的内容与设计原则[J].教学与管理，2019（04）：60-62.

[2] 张四方，江家发.科学教育视域下增强现实技术教学应用的研究与展望[J].电化教育研究，2018，39（07）：64-69+90.

[3] 中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2011年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2012：6.

[4] 刘高福，王平瑞，丁曲.物理实验教学中学生创新能力的培养[J].教学与管理，2020（06）：101-103.

[5] 彭前程.义务教育教科书物理（八年级九年级）[M].北京：人民教育出版社，2013：32-48.

[6] 肖永琴.以设计思维引领的初中物理深度学习策略探讨[J].物理教师，2019，40（08）：43-45.

[作者：聂鑫（1993-），女，黑龙江双鸭山人，云南大学职业与继续教育学院，硕士生;李甦（1963-），男，云南昆明人，云南大学职业与继续教育学院，教授，硕士生导师。]

该文为2020年度云南大学职业与继续教育学院第六届研究生科研创新项目“基于AR教学资源的初中物理电学实验在线教学设计研究”的研究成果